Elektronenspektroskopische Untersuchungen von Eisensilizid/Silizium-Heterostrukturen

Moritz, H.

Book/Report

FZJ-2018-04240

Elektronenspektroskopische Untersuchungen von Eisensilizid/Silizium-Heterostrukturen

Moritz, H. (Corresponding author)FZJ*

1993
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 2767, III, 119 p. (1993)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/19370

Report No.: Juel-2767

Abstract: Eisensilizidheterostrukturen sind mit der Festkörperepitaxie (SPE) und der Gasstrahlepitaxie (CBE) im Ultrahochvakuum auf Si(111)-Substraten präpariert worden. Die Schichten wurden $\textit{in situ}$ mit der Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS, EELS), der Auger-Elektronenspektroskopie (AES), der Beugung langsamer Elektronen (LEED) und der Photoemission (UPS, XPS) charakterisiert. Die Ergebnisse der Festkörperepitaxie stellen den Hauptteil der Arbeit. Die Grenzfläche Si/Fe wurde nach Aufdampfen von Eisen bei Zimmertemperatur mit AES untersucht. Die Interpretation der Meßwerte auf der Grundlage eines Gradientenwachstumsmodells führt zu dem Ergebnis, daß sich die beiden Komponenten an der Grenzfläche vermischen, wobei das Silizium in die Eisenschicht über eine typische Distanz von 14 $\mathring{A}$ hineindiffundiert. Die Phasenfolge bei der Eisensilizidbildung wurde mit XPS und AES untersucht. Danach bildet sich nach Aufdampfen von Eisenschichten der Dicke d$_{Fe} \approx$ 30$\mathring{A}$ bei Raumtemperatur und anschließendem Heizen der Probe im Temperaturbereich bis T $\approx$ 530° C das Monosilizid FeSi und im Bereich 550° C < T < 650° C das halbleitende Disilizid $\beta$-FeSi$_{2}$ mit einer Dicke von d$_{Fesi_2} \approx$ 100$\mathring{A}$. Die EEL-Spektren zeigen ein Volumenplasmon des FeSi und des $\beta$-FeSi$_{2}$ von $\hbar \omega_p$, = 20,4 eV. Der Phasenübergang vom metallischen FeSi zum halbleitenden $\beta$-FeSi$_{2}$ bei den angegebenen Temperaturen ist durch den Verlauf der Zustandsdichte am Ferminiveau dokumentiert. Mit Hilfe der HREEL-Spektroskopie wird der halbleitende Charakter der $\beta$-Phase durch den Nachweis von Fuchs-Kliewer-Phononen im infraroten Spektralbereich belegt. Ferner wird im Energieveriustspektrum ein Interbandtibergang beobachtet, dessen Einsatzpunkt die Bandlückenenergie eines direktenÜbergangs mit E$_{g}$ = 0,87 eV angibt. Das epitaktische Wachstum der $\beta$-FeSi$_{2}$-Phase auf Si(111) wird durch LEED bestätigt, wobei das Beugungsbild das Wachstum von drei äquivalenten, um 120° versetzten Domänen ausweist. Die Ergebnisse der Messungen mit AES, XPS, EELS, UPS und LEED zeigen eindeutig undkonsistent, daß bei höheren Temperaturen (T $\approx$ 700° C) die $\beta$-FeSi$_{2}$-Schicht aufbricht und sich Inseln bilden, zwischen denen freie Bereiche des Si(111)-Substrats in der (7x7)-Rekonstruktion liegen. Beim Heizen von Proben mit deponierten Eisenschichten der Dicke d$_{Fe}$ < 5$\mathring{A}$ bildet sich dasmetastabile $\gamma$-FeSi$_{2}$ bei T 450° C. HREELS- und UPS-Untersuchungen zeigen übereinstimmend den metallischen Charakter dieser Phase. Sie wird aufgrund der geringen Fehlanpassung an das Substrat durch eine niedrige Grenzfiächenenergie stabilisiert und existiert daher nur in sehr dünnen Schichten (< 14 $\mathring{A}$). Ein Phasenübergang zur stabilen halbleitenden $\beta$-FeSi$_{2}$-Phase durch Erhöhung der Heiztemperatur kann nicht nachgewiesen werden, da die dünne $\gamma$-Schicht bei höheren Temperaturen in Inseln aufbricht. Die EEL-Spektren zeigen ein Volumenplasmon der $\gamma$-Phase von $\hbar \omega_p$ =19,8 eV. Das Wachstum von Silizidschichten durch sukzessives Bedampfen mit Eisen und Tempern bei T $\approx$ 600° C führt zur Bildung eines Zweischichtsystem, bei dem auf einer dünnen (ca. 3 $\mathring{A}$) $\gamma$-FeSi$_{2}$ -Schicht die $\beta$-Phase wächst. Bei der Gasstrahlepitaxie werden Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)$_{5}$) und Silan (SiH$_{4}$) als Prozeßgase verwendet. Sie werden durch Düsen unzerlegt auf das geheizte Substrat geleitet. Die HREEL-Spektren zeigen, daß alle bekannten Phasen, nämlich FeSi, $\gamma$-FeSi$_{2}$, $\gamma$-FeSi$_{2}$+$\beta$-FeSi$_{2}$ und $\beta$-FeSi$_{2}$herstellbar sind. Lediglich bei niedrigen Wachstumstemperaturen (T $\approx$ 350° C) wird der Einbau von Kohlenstoff beobachtet, während bei höheren Temperaturen kein Kohlenstoff in den Schichten nachgewiesen werden kann. Die Qualität des Spektrums an einer $\beta$-FeSi$_{2}$-Schicht der Dicke d = 1200 $\mathring{A}$, läßt den Schluß zu, daß mit der Gasstrahlepitaxie nach Optimierung der Wachstumsparameter qualitativ hochwertige $\beta$-FeSi$_{2}$-Schichten präpariert werden können.

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